Ett team av forskare från Ryssland, Tyskland, och Frankrike, med materialforskare från Moskva institutet för fysik och teknik, har undersökt hur de elektriska egenskaperna hos tunna filmer av dihexyl-kvarttiofen beror på deras struktur. Detta material är en organisk halvledare med utsikter för flexibel elektronik.

När de tunna filmerna genomgår en övergång från kristallen till flytande kristalltillståndet, de tappar en del av sin elektriska konduktivitet. Teamet upptäckte också en "tredje fas" som inte förekommer i bulkmaterial och motsvarar ett monomolekylärt lager av halvledaren. Denna struktur kan vara gynnsam för laddtransport över filmerna, med potentiella konsekvenser för mikroelektronikdesign. Forskningsresultaten publicerades i Nanoskala forskningsbrev .

Oligotiofener är lovande organiska halvledare. Deras stavformade molekyler kan orientera sig på ytan på vilken de har deponerats, hopar upp cykler av kolväten som innehåller en svavelatom som kallas tiofener, som högar med mynt. "Myntkanterna" i grannstackarna bildar ett fiskbensmönster. Detta molekylära arrangemang möjliggör laddningsöverföring från en molekyl till den andra.

När antalet tiofener i molekylen ökar, likaså den elektriska konduktiviteten, till kostnaden för föreningens löslighet. Det optimala antalet av dessa så kallade tiofen-enheter är fyra. För att öka lösligheten, hexylfragment ympas till ändarna av det konjugerade molekylfragmentet (fig. 1).

Forskarna löste upp och avdunstade dihexyl-kvarttiofen (DH4T) i en vakuumreaktor och avsatte materialet som tunna filmer på ett kiselsubstrat. De fortsatte med att studera kristallstrukturen hos proverna med hjälp av röntgendiffraktion av betesförekomst. Denna teknik innebär att en film utsätts för röntgenstrålar med en mycket liten blickvinkel för att maximera avståndet som röntgenstrålen rör sig i filmen, genomgår många reflektioner. Annat, signalen från den tunna filmen skulle vara för svag för att kunna särskiljas från substratsignalen. Diffraktionsmätningarna gjorde att laget kunde identifiera det molekylära arrangemanget i materialet som deponerades på substratet.

Initialt, DH4T var mycket kristallint. Dess molekyler bildade ett fiskbensmönster och placerades nästan vinkelrätt mot substratet. Dock, en gång uppvärmd till 85 grader Celsius, materialet genomgick en fasövergång:Det molekylära arrangemanget förändrades, bildar en flytande kristallfas, och den elektriska ledningsförmågan hos filmerna sjönk.

Provet upphettades vidare till 130 C och kyldes därefter till rumstemperatur. Detta återställde delvis materialets kristallinitet, och därför konduktivitet.

Under uppvärmningen, en tredje struktur framkom i röntgendiffraktionsprofilen, indikeras av svaga diffraktionsmaxima som inte motsvarar flytande kristallfasen. Tidigare forskning har korrelerat sådana maxima med monoskikt av föreningar som DH4T. Intressant, denna "tredje fas" observerades också vid 70 C.

Strukturen hos monoskiktet som teamet upptäckte är fördelaktigt för laddningstransport längs filmens plan, vilket gör det viktigt för flexibla elektronikapplikationer. Förutom det, den nyligen observerade fasen kan också förekomma i de tunna filmerna av andra föreningar vars struktur liknar DH4T:s struktur. Sådana material används inom mikroelektronik. Eftersom laddning övervägande överförs i ett mycket tunt lager nära substratet, forskarnas resultat pekar på behovet av att överväga hur materialets nanostruktur påverkar dess konduktivitet.

Professor Dimitri Ivanov leder laboratoriet för funktionella organiska och hybridmaterial vid MIPT och är också forskningsdirektör vid Franska nationella centrumet för vetenskaplig forskning (CNRS). Han var medförfattare till studien som rapporterades i denna berättelse och kommenterade resultaten:"Använda in situ-metoder, såsom strukturanalys, och samtidigt mäta provets elektriska egenskaper gör det möjligt för oss att få insikter om komplexa fasövergångar i materialet och bedöma dess potential för praktiska tillämpningar inom organisk elektronik. "